宋軍背城立陣，側(cè)后無憂，并處于守勢，加上宋軍大陣對于正面的先天優(yōu)勢，遼軍雖然有人數(shù)上的優(yōu)勢，但擅長的迂回包抄戰(zhàn)術(shù)無法使用，只有與宋軍做正面硬捍。在這點(diǎn)上從歷史戰(zhàn)績看，單純的正面接戰(zhàn)，遼軍鮮有勝績，形式對遼軍并不有利。因此，遼軍果斷做出全力一擊，將鐵林軍的重裝騎兵派上戰(zhàn)場，由統(tǒng)軍鐵林相公率領(lǐng)正面沖擊宋軍大陣，但事與愿違。宋軍中軍主將魏能也率領(lǐng)精銳部隊(duì)對遼軍的攻擊箭頭展開反沖擊，在左右兩翼的配合夾擊下不但粉碎了遼軍的正面沖擊，保證了大陣正面的安全，并在反沖擊過程中一舉射殺遼統(tǒng)軍鐵林相公。遼軍主將被殺，全軍為之氣沮，敗像已現(xiàn)。最終，在威虜軍城西的主戰(zhàn)場上，遼軍戰(zhàn)敗，準(zhǔn)備從來路逃走，于是向西北的羊山方向撤退，宋軍兩翼秦翰和田敏的6000騎兵轉(zhuǎn)入追擊，尚未出動(dòng)的預(yù)備隊(duì)李繼宣部也同時(shí)移向威虜軍城西北八里的赤虜屯住，并派出聯(lián)絡(luò)官跟隨秦翰部前進(jìn)，隨時(shí)準(zhǔn)備策應(yīng)追擊部隊(duì)。

宋軍先期開赴羊山包抄的二楊所部沒有能參與威虜軍城西的大戰(zhàn)，遼軍的行動(dòng)太過迅速，一到就打，一打就敗，一敗就逃，二楊所部的包抄任務(wù)就這樣變成了迎頭攔截的截?fù)羧蝿?wù)。遼軍雖然主動(dòng)撤退，但形式并不好，后有宋軍的追兵，前方還有沒有來及趕上威虜軍城西之戰(zhàn)的宋軍迂回部隊(duì)二楊所部6000騎兵的正面堵截。遼軍面臨著被前后夾擊的態(tài)勢。

當(dāng)遼敗軍取道羊山南麓漸次向西北撤退的時(shí)候，早就埋伏在這里的二楊所部迎頭殺出，對遼軍展開正面攔截。后有追兵的遼軍正面再被攔住，走投無路的遼軍一下子迸發(fā)出強(qiáng)勁的戰(zhàn)斗力，二楊雖然倚靠羊山展開阻擊，但仍被數(shù)量上占有優(yōu)勢的遼軍逐步擊退，被迫退出戰(zhàn)場。一部分沒有來得及后撤的宋軍死守羊山不退，最后全部陣亡。

二楊的正面阻擊雖然宣告失敗，但在使遼軍付出相當(dāng)?shù)拇鷥r(jià)同時(shí)，遲滯了遼軍的行動(dòng)，為追擊部隊(duì)的趕到爭取了時(shí)間。正當(dāng)遼軍最終攻下羊山上的宋軍陣地時(shí)，一路尾追遼軍的秦翰部和田敏部追上了遼軍后衛(wèi)部隊(duì)。李繼宣派住秦翰部的聯(lián)絡(luò)官也及時(shí)將這一情報(bào)通報(bào)給進(jìn)屯赤虜并以其為前進(jìn)基地的李繼宣部。李繼宣得到情報(bào)后立即帶領(lǐng)自己的部下直撲羊山。在秦翰部咬住遼軍后一會兒，李繼宣部也追上了遼軍。

隨著二楊的退出、秦翰部和李繼宣部的相繼投入，形勢發(fā)生了轉(zhuǎn)變，宋軍由阻擊狀態(tài)變?yōu)樽窊魻顟B(tài)。剛逐走二楊的遼軍轉(zhuǎn)眼就被秦翰部和李繼宣部趕上了羊山。而此時(shí)，秦翰部悄然退出了戰(zhàn)場。對于秦翰部來說，已經(jīng)經(jīng)歷了在威虜軍西與遼軍大戰(zhàn)，再在追擊后獨(dú)自與遼軍作戰(zhàn)已經(jīng)使得其力不能支了，因此在友軍到達(dá)后退出戰(zhàn)場也屬于情理之中。連經(jīng)惡戰(zhàn)的遼軍此時(shí)已經(jīng)無心戀戰(zhàn)，而李繼宣部原本就是宋軍最強(qiáng)悍的部隊(duì)之一，這次戰(zhàn)役中又是作為預(yù)備隊(duì)一直沒有參戰(zhàn)，在一整天的養(yǎng)精蓄銳后正是斗志昂揚(yáng)的時(shí)候，終于找到了用武之地。之后的戰(zhàn)事成為李繼宣部的獨(dú)舞。他們趕著遼軍從羊山南麓轉(zhuǎn)過山脊，追殺到北麓。戰(zhàn)斗中，身先士卒的李繼宣多次因?yàn)閼?zhàn)馬中箭而更換戰(zhàn)馬。最終在牟山谷，李繼宣部追上遼敗軍主力并殺入，取得了巨大的戰(zhàn)果后，剩余的遼軍逃向了八里外的遼國邊界。而在李繼宣部帶著滿身征塵和豐碩的戰(zhàn)果回到前進(jìn)基地赤虜?shù)臅r(shí)候，天已經(jīng)開始黑了。

十月十六日一天的戰(zhàn)斗，宋遼雙方首戰(zhàn)長城口，次戰(zhàn)威虜軍，三戰(zhàn)羊山，最終以宋軍擊退遼軍、斬級二萬、陣斬遼統(tǒng)軍鐵林相公以下將領(lǐng)十五員的輝煌勝利告終，這在宋軍對遼長達(dá)四十年的戰(zhàn)爭歷史上也是少見的。此戰(zhàn)的勝利，要?dú)w功于宋軍中級指揮官群體的合理決策和豐富的作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。

戰(zhàn)后呂蒙正領(lǐng)百官向真宗祝賀，真宗下令桑贊部1萬人開到邊境，而前陣軍后撤休整。威虜軍之戰(zhàn)以宋軍勝利而告終！但王顯仍然作了檢討，表示情報(bào)失誤，駐扎中山的中軍主力沒能及時(shí)趕到出戰(zhàn)，否則戰(zhàn)果會更大。呂蒙正也指出“......邊臣若偵候無差遵守成算克敵必倍......”但真宗還是很大度的給與了褒獎(jiǎng)。